Luận án Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

 trị số ban đầu N c khi η = 0). Cũng do phát huy được hiện 
tượng cắt trượt nên làm giảm lực băm, cho nên thực tế lực tổng hợp R do dao tác 
động vào cây nguyên liệu có trị số giảm dần khi góc trượt η càng lớn hơn góc cắt 
trượt ' . 
 Trong nhiều trường hợp, khi thân cây nguyên liệu có độ cứng không lớn, 
cần sử dụng tấm kê để đỡ cây nguyên liệu (Hình 2.7). 
 Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê 
 42 
 Hình 2.8 mô tả quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê. Góc kẹp χ hình 
thành giữa phương lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê. 
 Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê 
 Sử dụng dao kê hình thành một yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp băm 
kiểu “kéo cắt”, tương tự quá trình băm có thêm một cạnh sắc nữa (ở đây là cạnh 
sắc dao kê) cùng phối hợp kẹp và cắt cây nguyên liệu. Góc BAC hợp bởi cạnh 
sắc lưỡi dao cắt AB và cạnh sắc dao kê AC nói chung gọi là góc mở χ . Khi góc 
mở lớn, hai cạnh sắc không kẹp giữ yên được cây nguyên liệu mà có tác động 
đẩy nó ra, khó băm cắt được. Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc 
kẹp giữ yên được cây nguyên liệu để băm cắt được nó thì góc mở đó được gọi là 
góc kẹp χ. Giá trị góc kẹp χ phải được bảo đảm khi thiết kế bộ phận băm cắt có 
dao kê và là điều kiện để dao băm và dao kê kẹp được cây nguyên liệu. 
 Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, điều kiện để giữ cây nguyên liệu giữa cạnh 
 ''
sắc lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê là góc kẹp  12 . Đối với dao gắn trên 
đĩa quay, nghiên cứu thu được các số liệu  4000  50 , dao trống  2400  30 [15]. 
 ' '
 Nếu một trong hai góc trượt (góc ma sát) 1 và 2 có trị số nhỏ nhất, gọi là 
 min thì theo Viện sĩ Xablikov, điều kiện kẹp hoàn toàn là  min . 
 '' '
 Nếu 12 thì điều kiện kẹp là  2. . 
 43 
 '' ''
 Nếu 12  nghĩa là 2 12 2  2 , sẽ xảy ra hiện tượng vật băm cắt bị 
xoay tròn tại chỗ và quá trình băm cắt cũng rất khó thực hiện. Cũng cần chú ý 
 ''
rằng trong trường hợp  12 thì cây nguyên liệu bị đẩy ra phía ngoài, cho 
 ''
tới khi góc mở giảm xuống tới trị số góc kẹp  12 thì lại đảm bảo điều kiện 
kẹp. Trong quá trình dao cắt chuyển động qua thân cây nguyên liệu, cần tiêu 
tốn năng lượng nhằm thắng được lực ma sát sinh ra do áp lực cản của cây hoặc 
bó cây nguyên liệu tác động vào mặt bên của dao và thành phần ma sát do cây 
nguyên liệu dịch chuyển bị chèn ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi 
dao. Để giảm ma sát, cần lựa chọn kết cấu dao và cách thức bố trí dao cho phù 
hợp. Như mô tả trên Hình 2.9, góc trước β phải tính toán sao cho cây nguyên 
liệu khi được dao băm cắt xong, tiếp tục được cuốn vào sẽ không va chạm vào 
dao, tránh ma sát vô ích. Trên Hình 2.9, góc cắt α là góc hợp bởi giữa góc trước 
β và góc sắc ζ. Nghiên cứu của Viện sĩ Reznik N.E. năm 1975 [15] cho thấy, 
góc sắc ζ có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, được biểu diễn qua quan hệ sau. 
 Nth P t c tg  (2. 6) 
Trong đó: C là hệ số tính toán; Nth là lực cắt tới hạn để cắt đứt cây nguyên liệu; 
Pt là lực cản băm cắt. Nhìn chung, góc sắc yêu cầu nhỏ nhưng phải tính đến độ 
bền của dao, cho nên với máy băm cắt cây nguyên liệu khi băm có dao kê, 
thường yêu cầu ζ = 250÷300 [18]. 
 Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao 
 44 
 Về việc lựa chọn khe hở δ: Cây nguyên liệu càng mảnh thì càng nên 
chọn khe hở δ nhỏ, vì nếu không, lưỡi dao có thể bẻ gập cây nguyên liệu 
xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất lượng cắt. Nhưng δ cũng 
không thể chọn quá nhỏ, vì đĩa lắp dao (hay trống lắp dao) đều có độ dịch 
chuyển dọc trục cho phép và gối đỡ cũng có độ dịch chuyển dọc trục cho 
phép. Do vậy, nếu δ quá nhỏ có thể xảy ra hiện tượng dao băm va vào dao kê. 
Đối với máy băm cắt cây cây nguyên liệu nông nghiệp, δ thường lấy không 
quá 1mm [18]. Hình 2.10 mô tả khoảng khe hở δ tùy thuộc công suất băm cắt 
cây nguyên liệu. 
 Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ 
 Vận tốc cắt cũng là một thông số có ảnh hưởng lớn đến lực và do đó, ảnh 
hưởng đến năng lượng tiêu thụ của quá trình băm cắt. 
2.3. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu 
 Công suất tiêu thụ P khi cắt cây nguyên liệu có thể biểu diễn qua công thức: 
 P Fv (W) (2.7) 
Trong đó, F là lực cắt (N), v là vận tốc cắt (m/s). Như đã trình bày trong chương 1, 
vận tốc cắt là một thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực cắt. Qua công thức (2.7), 
nhận thấy nếu lực cắt nhỏ nhất lại xảy ra khi vận tốc cắt lớn, công suất cắt có thể 
không chắc chắn là nhỏ nhất. Nói cách khác, lực cắt và công suất cắt có thể là hai 
 45 
hàm mục tiêu có lợi ích xung đột nhau. Bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm xác định 
bộ tham số sao cho thu được cả hai hàm mục tiêu cùng đạt chỉ tiêu mong muốn. 
Lực cắt nhỏ mang lại khả năng giảm kích thước, tiết kiệm vật liệu cho các chi tiết 
của máy cắt. Công suất tiêu thụ nhỏ giúp giảm thiểu năng lượng tiêu hao, góp phần 
giảm giá thành chế biến phụ phẩm. 
 Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu có thể giải quyết bằng nghiên cứu thực 
nghiệm với cơ sở lý thuyết được tóm tắt như dưới đây [12, 5]. 
 Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, cần chấp nhận một số “thỏa hiệp” 
cho những hàm mục tiêu có lợi ích xung đột. Chẳng hạn, nếu ưu tiên đạt mục 
tiêu công suất tiêu thụ là thấp nhất, có thể phải chấp thuận rằng, lực cắt không 
phải nhỏ nhất, mà chỉ nhỏ hơn một mức chấp nhận được nào đó. Người ta đưa 
ra khái niệm mức độ đạt được của hàm mục tiêu so với kỳ vọng. Mức độ này 
được lượng hóa thông qua các đại lượng hàm kỳ vọng (desirability function) và 
trọng số (weight). Trong bài toán tối ưu đa mục tiêu, hàm kỳ vọng chung 
(Overall desirability) được tổng hợp từ các hàm kỳ vọng của từng chỉ tiêu. Bài 
toán tối ưu hóa đa mục tiêu có nhiệm vụ là tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng 
chung. Đại lượng mức quan trọng (Importance) được dùng để lượng hóa tầm 
quan trọng của từng mục tiêu so với mục tiêu tổng thể và từ đó, tính được giá 
trị hàm kỳ vọng chung. 
 Gọi giá trị hàm kỳ vọng của chỉ tiêu thứ i là di, hệ số mức độ quan trọng 
của chỉ tiêu thứ i là ri, bài toán có tất cả n chỉ tiêu, thì giá trị hàm kỳ vọng tổng 
hợp chung D được tính theo công thức: 
 (r1 r2 ...rn ) r1 r2 rn
 D d1 d2 ...dn (2.8) 
 Bài toán tối ưu đa mục tiêu được mô tả dưới dạng: 
 46 
 D max (2.9) 
 Hàm kỳ vọng (desirability function) dùng để đánh giá mức độ đạt được của 
một hàm mục tiêu so với giá trị mong muốn. Hàm kỳ vọng của một chỉ tiêu nhận 
giá trị từ 0 đến 1. Về bản chất, giá trị của hàm kỳ vọng chính là giá trị chuyển đổi 
của hàm chỉ tiêu sang dạng thức phù hợp để tính toán. Với bài toán tối thiểu hóa, 
hàm kỳ vọng di của một mục tiêu thứ i được biểu diễn như sau: 
 1 khi yi Ti 
 wi 
 U y 
 i i 
 di khiTi yi Ui (2.10) 
 Ui Ti 
 0 khi y U
 i i
 Trong đó, Ui là mức giới hạn trên của vùng chấp thuận được khi tối thiểu 
hóa, Ti là ngưỡng chấp nhận thứ i. Hình 2.11 mô tả sơ đồ hàm kỳ vọng cho một 
bài toán tối thiểu hóa có w =1. 
 Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa 
 Khi muốn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hàm mục tiêu gần với đích 
mong muốn, chọn trọng số lớn hơn 1. Khi trọng số nhỏ hơn 1, có nghĩa nới rộng 
mức độ chấp thuận hơn khi hàm mục tiêu ở xa đích mong muốn. Giá trị trọng số 
trong tính toán tối ưu được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10. 
 47 
 Bài toán tối ưu hóa có nhiệm vụ tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng chung. 
Trong tính toán tối ưu, thuật ngữ Importance (tầm quan trọng) dùng để chỉ hệ số 
dùng để phản ánh mức độ quan trọng của từng chỉ tiêu trong một bài toán đa mục 
tiêu. Muốn ưu tiên một chỉ tiêu nào đó cao hơn các chỉ tiêu khác, cần gán cho nó 
hệ số mức độ quan trọng lớn hơn các hệ số mức độ quan trọng của các chỉ tiêu 
kia. Hệ số mức độ quan trọng được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10. 
 Nội dung các bước thiết kế và xử lý số liệu thí nghiệm cho bài toán tối ưu 
hóa đa mục tiêu sẽ được trình bày trong chương tiếp theo. 
Kết luận chƣơng 
 Chương 2 đã trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết và các nguyên lý cơ bản của 
quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp. Các nội dung của chương này là cơ sở 
cho nghiên cứu về động lực học và năng lượng tiêu hao của quá trình băm thân 
cây ngô của nghiên cứu này. Một số nội dung quan trọng được tóm tắt như sau: 
 Có 02 nguyên tắc cơ bản của quá trình băm-cắt thân cây nông nghiệp gồm: 1) 
cắt băm, chuyển động tương đối giữa dao và cây nguyên liệu (chuyển động cắt) 
thực hiện theo hướng pháp tuyến; 2) cắt có trượt, chuyển động cắt kết hợp cả 
hướng pháp tuyến và hướng tiếp tuyến. So với cắt băm, quá trình cắt có trượt 
làm giảm đáng kể lực cắt. Để cây không trượt ra khỏi khe hở hình chêm của dao 
cắt và tấm kê, cần khống chế vận tốc trượt dựa vào hệ số ma sát giữa thân cây 
với vật liệu dao. 
 Lực cắt và công suất cắt tiêu thụ là hai hàm mục tiêu có xung đột lợi ích. Do 
đó, cần giải quyết bài toán tối ưu đồng thời cho cả hai chỉ tiêu nói trên. Bài toán 
đa mục tiêu xác định từng chỉ tiêu phù hợp các bước công nghệ cắt: hàm kỳ 
vọng (2.8) và (2.9); mô hình thực nghiệm máy băm (cắt) đảm bảo yêu cầu đặt ra 
trong quá trình cắt. 
 48 
 Để làm sáng tỏ các kết luận ở chương 2, cần xây dựng mô hình thí nghiệm 
tương tự các máy băm thương mại, có khả năng điều chỉnh vận tốc cắt và các 
góc tương quan giữa dao và thân cây. Những nội dung này sẽ được trình bày ở 
chương tiếp theo. 
 49 
 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ 
 HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 
3.1. Giới thiệu 
 Chương này trình bày cách thức thiết kế, chế tạo, vận hành, đánh giá hệ 
thống thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu động lực học quá trình băm phụ 
phẩm nông nghiệp. Yêu cầu, lựa chọn và cách thức kết nối thiết bị đo cũng được 
mô tả chi tiết. Nội dung chương gồm các phần chính dưới đây: 
 1. Các yêu cầu cụ thể của hệ thống thiết bị thí nghiệm và tiến trình thiết 
 kế hệ thống này; 
 2. Cách thức và kết quả lựa chọn các thiết bị đo; 
 3. Báo cáo kết quả lắp ráp, vận hành thử hệ thống thiết bị; 
 4. Kế hoạch thí nghiệm khảo sát 3 biến 2 mức toàn phần dạng 2k được 
 triển khai thử nghiệm để đánh giá khả năng cung cấp số liệu của hệ 
 thống cho bài toán quy hoạch thực nghiệm; 
 * Kết luận chương. 
3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm 
3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm 
 Yêu cầu chung của một thiết bị thí nghiệm bao gồm: khả năng dễ dàng điều 
khiển các thông số đầu vào; cho phép thu thập chính xác và thuận tiện các thông 
số đầu ra, phản ánh sát thực với quá trình làm việc thực tế của các máy thương 
mại tương tự. Với bài toán khảo sát động lực học nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu 
thụ trong quá trình băm cắt thân cây ngô, các yêu cầu đặt ra là: 
 Cho phép thay đổi các góc tương quan giữa thân cây và dao cắt; 
 Cho phép điều chỉnh vô cấp vận tốc cắt; 
 50 
 Có chức năng thu thập dữ liệu về lực cắt, mô men cắt, năng lượng cắt 
 cần thiết. 
 Các thông số vào-ra phục vụ bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực 
học quá trình băm cắt thân cây ngô được mô tả như sơ đồ trên Hình 3.1. 
 Thông số đầu vào Thông số đầu ra 
 - Vị trí tương đối - Lực cắt 
 Thí nghiệm cắt 
 dao-cây nguyên - Công suất cắt 
 liệu 
 - Vận tốc cắt 
 Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện 
 Như trình bày trên Hình 3.1, hệ thống thiết bị cần có khả năng thay đổi hai 
bộ thông số đầu vào theo các mức giá trị định trước. Kết quả tổng quan các 
nghiên cứu trước (đã được trình bày trong Chương 1) cho thấy, các thông số có 
ảnh hưởng đáng kể đến lực và năng lượng tiêu thụ khi băm cây ngô và phụ 
phẩm nông nghiệp thường là: 
 Độ ẩm cây nguyên liệu; 
 Vị trí tương đối của dao so với cây, thường được xác định qua hai thông 
 số góc: 
 o Góc xiên/ góc tiếp dao; 
 o Góc nghiêng/ góc cắt trượt; 
 - Vận tốc cắt. 
 Trong các thí nghiệm, độ ẩm cây nguyên liệu thường được coi là điều kiện 
ban đầu của lô cây nguyên liệu, ít khi được coi là biến điều khiển trực tiếp khi 
thực hiện thí nghiệm. Có thể tiến hành nhiều bộ thí nghiệm cho các lô nguyên 
liệu có độ ẩm khác nhau để xác định quan hệ vào-ra cho cấp độ ẩm được xét. 
 51 
 Để mô tả rõ hơn vị trí tương đối giữa dao băm và cây nguyên liệu, đặt các đối 
tượng trong các góc chiếu của một hệ tọa độ 3 chiều như trên Hình 3.2. 
 (a) (b) (c) 
 Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu: 
 a) nhìn từ trước, b) nhìn từ trên xuống và c) nhìn từ bên 
 1) Dao băm, 2) Dao kê, 3) Cây nguyên liệu 
 Trên hình vẽ, chuyển động cắt của dao băm (1) được mô tả bằng mũi tên 
véc tơ vận tốc cắt, có chiều từ trên xuống; cây nguyên liệu (3) nằm giữa dao 
băm (1) và dao kê (2). Trong hệ tọa độ OXYZ, mặt phẳng XOY có thể được 
xem như hình chiếu từ trước nhìn vào mặt phẳng chứa chuyển động của dao; 
XOZ là hình chiếu bằng, nhìn từ trên xuống; còn YOZ là hình chiếu cạnh, nhìn 
từ một cạnh bên. 
 Sử dụng mô tả trên Hình 3.2, có thể định nghĩa các tham số xác định vị trí 
tương đối dao-cây nguyên liệu như dưới đây. 
Mặt phẳng cắt và góc tiếp dao: Gọi XOY (Hình 3.2a) là mặt phẳng cắt; mặt 
phẳng này chứa véc tơ vận tốc cắt, song song với mặt phẳng chứa lưỡi dao băm 
và dao kê. Góc tiếp dao α nằm trong mặt phẳng cắt, hợp bởi các đường thẳng 
tiếp tuyến với lưỡi dao băm và lưỡi dao kê tại điểm tiếp xúc với thân cây nguyên 
liệu. Trong trường hợp dao có lưỡi thẳng như hình vẽ, góc α chính là góc kẹp 
trong sơ đồ chêm giữ cây nguyên liệu. Trong các công bố quốc tế, góc α được 
 52 
gọi là góc xiên (Oblique angle) hoặc góc tiếp cận của dao (Approach angle). 
Trong luận án này, thống nhất gọi α là góc tiếp dao. 
Góc nghiêng dao so với cây: Trên Hình 3.2b mô tả hình chiếu bằng (XOZ) của 
hệ thống. Khe hở giữa dao kê và dao băm được ký hiệu là δ. Góc θ hợp bởi 
phương đường trục thân cây và phương các lưỡi cắt, chính là góc nghiêng dao so 
với cây (Tilt angle) hay góc cắt (Shear angle) trong nhiều công bố quốc tế. Như 
trình bày trong phần 1.6 của Chương 1, việc thay đổi góc nghiêng này chỉ phù 
hợp với dao quay trên các máy thu hoạch, nơi các cây đang mọc thẳng đứng trên 
mặt đất. Trong các máy băm, các cây nguyên liệu thường được cấp chạy vào vùng 
cắt theo phương vuông góc với mặt phẳng cắt XOY. Do vậy, nghiên cứu trong 
luận án này giữ cố định góc nghiêng dao so với cây θ = 90°. 
Góc nghiêng cây: Trên Hình 3.2c, góc  hợp bởi phương đường trục của thân 
cây với mặt phẳng vuông góc với véc tơ vận tốc cắt được gọi là góc nghiêng cây. 
Trên các máy băm dùng dao quay dạng đĩa, góc này thường được thiết lập với các 
giá trị 5-45 độ. Tuy nhiên, khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng cây đến lực cắt 
hầu như chưa được tìm thấy trong các công bố quốc tế. Do vậy, nghiên cứu này 
lựa chọn góc nghiêng cây là một biến thí nghiệm để khảo sát. 
 Việc thay đổi vận tốc cắt có thể thực hiện khá dễ dàng nếu dùng thiết bị cắt 
băm có dao quay. Bằng cách thay đổi vô cấp tốc độ quay của động cơ điện dẫn 
động trục dao, có thể điều chỉnh để nhận được giá trị vận tốc cắt theo yêu cầu. 
 Như vậy, bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực học máy băm phụ 
phẩm nông nghiệp được xác định với các thông số vào-ra như sau: 
 - Thông số đầu vào: 
 o Vận tốc cắt; 
 o Góc tiếp dao; 
 53 
 o Góc nghiêng cây; 
 o Khe hở giữa dao kê và dao băm; 
 - Thông số đầu ra: 
 o Lực cắt; 
 o Công suất cắt. 
 Hệ thống thiết bị sẽ được thiết kế, lắp đặt đáp ứng các yêu cầu thay đổi 
theo chủ đích các thông số vào và tính toán, xác định các thông số ra. 
3.2.2. Thiết kế kết cấu 
 Mô hình máy băm dạng dao gắn trên đĩa quay được lựa chọn vì những ưu 
điểm sau: 
 - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp ráp, giá thành thấp; 
 - Phù hợp với sản lượng nhỏ và vừa, có thể sử dụng cho hộ gia đình, trang 
trại nhỏ; 
 - Có thể băm nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp khác nhau. 
 Kết cấu chung của một máy băm dùng dao quay dạng đĩa được mô tả trên 
Hình 3.3a. Từ kết cấu này, sơ đồ thiết bị thí nghiệm cho nghiên cứu động lực học 
máy băm dùng dao quay dạng đĩa được đề xuất như trên Hình 3.3ab. 
 54 
 (a) (b) 
 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm a) Kết cấu máy thương mại, b) Kết cấu đề xuất: 
 1) Động cơ, 2) Bộ truyền đai, 3) trục dẫn động, 4) Đĩa dao phẳng, 5) Khớp nối, 
 6) Cảm biến mô men, 7) Cảm biến lực, 8) Dao kê 
 Trên Hình 3.3b, trục dẫn động gồm hai đoạn trục (3-1) và (3-2) truyền 
chuyển động từ động cơ (1) qua bộ truyền đai (2) và mô men cho đĩa dao 
phẳng (4). Cảm biến đo mô men xoắn (6) được lắp giữa hai đoạn trục (3-1) và 
(3-2) nhờ khớp nối (5). Một cảm biến đo lực (7) được lắp bên dưới dao kê (8). 
Quan sát Hình 3.3, có thể thấy sơ đồ đề xuất chỉ khác sơ đồ kết cấu của máy 
thương mại sẵn có ở kết cấu trục 3 và dao kê 8. Bên cạnh yêu cầu bổ sung cảm 
biến đo momen (6) cho trục 3, cần xử lý kết cấu dao kê sao cho lực băm có thể 
truyền đến cảm biến đo lực (7). Quan phân tích về kết cấu cơ khí, việc phát 
triển thiết bị thí nghiệm từ máy băm thương mại hiện có là rất khả thi. Điều 
này không những tiết kiệm được kinh phí nếu chế tạo toàn bộ kết cấu cho một 
máy băm đơn chiếc, mà còn cho phép thu thập, phân tích và đánh giá các tồn 
tại và đề xuất hướng cải tiến các máy băm thương mại hiện có. Sơ đồ kết cấu 
trên Hình 3.3ab được mô phỏng dạng 3D như Hình 3.4. 
 55 
 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt: 
 1) Bánh đai bị động, 2) Trục dẫn động, 3) Dao dẻ quạt, 4) Vít cố định, 5) Má kẹp, 
 6) Thân cây nguyên liệu, 7) Dao kê, 8) Cảm biến mô men 
 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt, mô men 
xoắn từ động cơ truyền đến bánh đai bị động (1), qua trục (2) truyền đến dao 
băm (3). Dao có dạng dẻ quạt, được gá trên cánh gá nhờ vít cố định (4) và má 
kẹp (5). Kết cấu này cho phép thiết lập góc tiếp dao α ở vị trí bất kỳ. Thân cây 
nguyên liệu cần cắt (6) nằm giữa dao băm (3) và dao kê (7), có góc nghiêng cây 
β cũng được thiết đặt tùy ý khi thí nghiệm. Góc nghiêng θ của dao so với cây 
cũng có thể dễ dàng thiết đặt nếu cần. Trên Hình 3.4 cũng mô tả góc sắc của dao 
băm γ và góc sắc của dao kê δ. Các góc này được cố định trong một bộ thí nghiệm, 
nhưng cũng có thể thay đổi bằng cách sử dụng các bộ dao khác nhau. Cảm biến đo 
mô men (8) được gá đặt như một khớp nối cho trục (2), truyền mô men từ bánh đai 
(1) sang dao băm (3). 
 Nguyên tắc đo lực cắt bằng cảm biến đo lực được mô tả trên 
Hình 3.5. Giả sử cây ngô (2) được cắt ở vị trí cách tâm quay O của dao (1) một 
bán kính R. Với lưỡi dao có góc tiếp dao khác không, phản lực F của cây ngô 
tác dụng lên lưỡi dao được phân tích thành hai thành phần: F1 có phương thẳng 
đứng, vuông góc với bán kính quay R, F2 có phương hướng tâm. Mô men của F1 
 56 
lấy đối với tâm O chính là mô men cản sinh ra khi băm, có thể đo bằng cảm biến 
mô men khi cắt chậm (bỏ qua quán tính quay của dao). Bỏ qua thành phần lực 
gây nén cây ngô khi cắt, có thể coi toàn bộ lực của dao tác dụng lên cây ngô 
theo phương thẳng đứng F1 sẽ truyền qua cây và tác dụng lên dao kê (3). Cảm 
biến lực (4) đặt dưới dao kê có thể đo được giá trị lực này. 
 Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây: 
 1) Dao băm, 2) Cây nguyên liệu, 3) Dao kê, 4) Cảm biến lực 
 Một điểm cần lưu ý nữa là thành phần lực của dao tác dụng lên cây (cùng 
phương ngược chiều F2) có xu hướng đẩy cây trượt ra xa tâm quay của dao. Để 
cây không bị đẩy ra khỏi vùng cắt, ma sát giữa cây và dao kê không được nhỏ 
hơn thành phần lực đẩy cây. Do vậy, nghiên cứu cũng tiến hành thí nghiệm đo 
ma sát trượt giữa cây ngô và dao kê nhằm hỗ trợ các phân tích sau này. 
 Dựa trên mô hình đã đề xuất, tiến hành lựa chọn thiết bị đo, chế tạo và lắp 
ráp các bộ phận cơ khí, lắp đặt và kết nối các thiết bị đo để hoàn chỉnh hệ thống 
thiết bị thí nghiệm. 
3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu 
 Các thiết bị thí nghiệm cần thực hiện chức năng đo và lưu trữ các số liệu 
về lực, mô men sinh ra trong quá trình cắt. 
 57 
3.3.1. Cảm biến đo lực cắt 
 Lực sinh ra khi băm bằng dao quay đĩa là lực va đập, có giá trị tăng nhanh 
và giảm đột ngột. Nếu băm với tốc độ chậm, có thể sử dụng cảm biến tải trọng 
Load cell. Thiết bị đo lực động (Dynamic force sensor) là lựa chọn phù hợp hơn. 
Thiết bị này phù hợp để đo lực biến động, l